林少華，劉嘉寧，陳 東，賈宏杰，曾 沅，王丙東，王 恩，劉 哲

（1.廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510699；2.天津大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，天津 300072）

0 引言

為了保證電網(wǎng)安全、可靠運(yùn)行，調(diào)度員需采取合理的調(diào)度操作。目前調(diào)度員主要依據(jù)電網(wǎng)實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)和個(gè)人經(jīng)驗(yàn)對(duì)電網(wǎng)進(jìn)行操作。調(diào)度操作指令票從擬定到最終執(zhí)行有著一套較為完整的操作流程與控制方法，很大程度上保證了電力調(diào)度的安全性。但考慮到操作執(zhí)行過程中惡劣天氣、設(shè)備故障以及誤操作等不確定因素，調(diào)度操作可能無法正常執(zhí)行，影響系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。深圳4.10大停電事故的直接原因就是一個(gè)500 kV變電站在倒閘操作過程中開關(guān)發(fā)生故障導(dǎo)致設(shè)備連鎖跳閘[1-2]。量化分析調(diào)度操作過程中各種不確定因素給電網(wǎng)帶來的影響意義重大。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不僅能夠量化事故自身給電網(wǎng)安全運(yùn)行帶來的后果，同時(shí)又能考慮到不確定因素對(duì)電網(wǎng)的影響，因此在電網(wǎng)規(guī)劃與運(yùn)行中得到了廣泛的應(yīng)用[3-6]。文獻(xiàn)[7-9]將風(fēng)險(xiǎn)理論應(yīng)用到電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定的評(píng)估中，提出了元件故障概率和風(fēng)險(xiǎn)后果的暫態(tài)穩(wěn)定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型和方法。文獻(xiàn)[10-12]研究了電力系統(tǒng)靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，包括電壓穩(wěn)定和負(fù)荷削減等。文獻(xiàn)[13]提出了一種在線風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法（OLRBSA），應(yīng)用概率模型評(píng)估系統(tǒng)當(dāng)前和未來的運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)。

電網(wǎng)調(diào)度作為電力企業(yè)日常工作之一，其目的是對(duì)電網(wǎng)元件的實(shí)時(shí)操作。目前的電網(wǎng)調(diào)度操作系統(tǒng)已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)操作票的自動(dòng)生成-校核-發(fā)布功能[14-16]。 文獻(xiàn)[17-18]從工程實(shí)際出發(fā)分析了電網(wǎng)調(diào)度操作過程中存在的危險(xiǎn)點(diǎn)，并提出了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)管控措施；文獻(xiàn)[19-20]研究了智能調(diào)度操作系統(tǒng)，開發(fā)了能夠?qū)φ{(diào)度操作各環(huán)節(jié)進(jìn)行智能校核的實(shí)際應(yīng)用軟件，可以有效預(yù)防調(diào)度誤操作。目前對(duì)調(diào)度操作的研究主要集中于確定性的安全校核，而忽視了調(diào)度操作過程中可能存在的潛在風(fēng)險(xiǎn)。

本文從調(diào)度操作成功、失敗2個(gè)方面出發(fā)，在多維不確定因素下分析了調(diào)度操作對(duì)電網(wǎng)風(fēng)險(xiǎn)的影響。利用故障樹原理為調(diào)度過程中的每一步操作關(guān)聯(lián)量化風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，使調(diào)度人員能夠事先更加清晰地掌握調(diào)度操作將面臨何等風(fēng)險(xiǎn)。最后利用IEEE-RTS測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證本文所提方法的有效性。

1 調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)來源分析模型

調(diào)度操作的風(fēng)險(xiǎn)主要來自3個(gè)方面：第一，元件自身故障導(dǎo)致操作失敗，給系統(tǒng)帶來風(fēng)險(xiǎn)；第二，調(diào)度操作成功后，系統(tǒng)自身存在的風(fēng)險(xiǎn)；第三，調(diào)度操作成功后，由于系統(tǒng)可靠性降低，發(fā)生相應(yīng)的發(fā)展故障給系統(tǒng)帶來風(fēng)險(xiǎn)。本文以調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)作為頂端事件，利用故障樹原理解釋調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)來源，如圖1 所示，圖中 F1、F2、…、Fk為操作成功后的 k 個(gè)發(fā)展故障；C1、C2、…、Cm為導(dǎo)致操作失敗的 m個(gè)元件故障；N代表操作成功執(zhí)行。

圖1 調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)來源故障樹模型Fig.1 Fault tree model of dispatch risk source

樹中每個(gè)基本事件都代表一種操作風(fēng)險(xiǎn)來源并對(duì)應(yīng)著一種操作風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，因此圖中所示模型即把調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)換為一系列與操作相關(guān)的操作風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)風(fēng)險(xiǎn)。假設(shè)對(duì)元件ei進(jìn)行某調(diào)度操作，相應(yīng)的操作風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)定義如下。

a.操作失敗狀態(tài)集Sf。

通過對(duì)調(diào)度歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，得到導(dǎo)致操作失敗的元件故障集合 C（ei），如式（1）所示：

其中，Cmei為第m個(gè)導(dǎo)致元件ei操作失敗的元件故障。

集合C（ei）中m個(gè)元件故障導(dǎo)致元件ei操作失敗后的系統(tǒng)狀態(tài)集定義為元件ei操作失敗狀態(tài)集Sf（ei）：

其中，S（Cmei）為第m個(gè)元件故障Cmei導(dǎo)致元件ei操作失敗后的系統(tǒng)狀態(tài)。

b.操作成功發(fā)展?fàn)顟B(tài)集Sd。

定義某故障F與元件ei的關(guān)聯(lián)度如下：

其中，δcon（ei，F(xiàn)）=1 表示對(duì)元件 ei成功操作后，故障 F發(fā)生會(huì)給系統(tǒng)造成重大后果，其數(shù)值可根據(jù)故障F后果確定。

假設(shè)ξ（F）代表故障F發(fā)生后給系統(tǒng)造成的后果，ξ0代表設(shè)定的后果截?cái)嘀担琩（±ei）代表對(duì)元件 ei操作成功，按如下邏輯關(guān)系確定 δcon（ei，F(xiàn)）值：對(duì)于故障 F，如果 ξ（F）＞ξ0有且只有一個(gè)前提條件 d（±ei），則 δcon（ei，F(xiàn)）=1；否則 δcon（ei，F(xiàn)）=0。

所有與元件ei關(guān)聯(lián)度為1的故障組成了元件ei操作成功后的發(fā)展故障集F（ei）：

c.操作成功狀態(tài)Sn。

操作成功即操作正常執(zhí)行，則對(duì)元件ei操作成功后的系統(tǒng)狀態(tài)即為操作成功狀態(tài)Sn（ei）。

通過對(duì)操作風(fēng)險(xiǎn)來源進(jìn)行分析，將元件ei的操作風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)換成上述3種操作風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)下的風(fēng)險(xiǎn)，其中操作成功狀態(tài)Sn和操作失敗狀態(tài)集Sf屬于實(shí)時(shí)操作風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，即操作執(zhí)行過程中直接給系統(tǒng)帶來影響的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)；操作成功發(fā)展?fàn)顟B(tài)集Sd屬于延時(shí)操作風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，即在操作執(zhí)行之后的一段時(shí)間內(nèi)給系統(tǒng)帶來影響的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。操作風(fēng)險(xiǎn)組成示意圖如圖2所示，圖中，t1為操作的開始時(shí)間；t2為操作執(zhí)行完畢時(shí)間；t3為下一個(gè)操作開始時(shí)間；R（ei）為本次操作的總風(fēng)險(xiǎn)；R（Sn（ei））、R（Sf（ei））和 R（Sd（ei））分別為來自操作成功狀態(tài)集、操作失敗狀態(tài)集和操作成功發(fā)展?fàn)顟B(tài)的風(fēng)險(xiǎn)。

圖2 操作風(fēng)險(xiǎn)組成Fig.2 Components of operational risk

2 調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)計(jì)算

本文操作風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)包括：節(jié)點(diǎn)電壓越限指標(biāo)RU、支路潮流過載指標(biāo)RO和負(fù)荷損失指標(biāo)RL，其計(jì)算方法如下。

2.1 操作風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)概率計(jì)算

操作風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)分為實(shí)時(shí)操作風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)和延時(shí)操作風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)，以下為相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)發(fā)生概率計(jì)算公式。

a.實(shí)時(shí)操作風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)集Sn和Sf發(fā)生概率：

其中，P（Sn）和 P（Sf，h）分別為操作成功狀態(tài) Sn和第 h個(gè)操作失敗狀態(tài)發(fā)生的概率；P（N）和P（F）分別為本操作執(zhí)行成功和操作失敗的概率；P（ChF）為在本操作執(zhí)行失敗條件下元件故障Ch發(fā)生的概率。

b.延時(shí)操作風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)集Sd發(fā)生概率：

其中，P（Sd，j）為第 j個(gè)操作成功發(fā)展?fàn)顟B(tài)發(fā)生的概率；P（FjN）為在本操作執(zhí)行成功條件下第j個(gè)操作成功發(fā)展故障Fj發(fā)生的概率。

2.2 操作風(fēng)險(xiǎn)后果計(jì)算

其中，n為出現(xiàn)電壓越限的節(jié)點(diǎn)數(shù)；g（Ui）為節(jié)點(diǎn)電壓越限嚴(yán)重度函數(shù)，如圖 3 所示，圖中 Ul，i和 Uu，i分別為節(jié)點(diǎn)i可以接受的電壓下限和上限數(shù)值。

a.電壓越限風(fēng)險(xiǎn)后果IU。

電壓越限風(fēng)險(xiǎn)后果用來反映節(jié)點(diǎn)電壓超出可接受范圍的嚴(yán)重程度，如式（8）所示：

圖3 電壓越限嚴(yán)重度函數(shù)Fig.3 Severity function of voltage limit violation

b.支路潮流過載風(fēng)險(xiǎn)后果IO。

支路潮流過載風(fēng)險(xiǎn)后果用來反映支路過載嚴(yán)重程度，如式（9）所示：

其中，s為發(fā)生潮流過載的支路數(shù)；Si為支路i的實(shí)際輸送功率；Sr，i為支路 i的功率輸送極限；K（Si）為階躍函數(shù)。

c.負(fù)荷損失風(fēng)險(xiǎn)后果IL。

電網(wǎng)發(fā)生故障時(shí)，由于繼電保護(hù)或人為控制，會(huì)切除一部分負(fù)荷，負(fù)荷損失后果如式（11）所示：

其中，v為出現(xiàn)負(fù)荷削減的節(jié)點(diǎn)數(shù)；Li為第i個(gè)負(fù)荷削減節(jié)點(diǎn)的負(fù)荷削減量；αi為第i個(gè)負(fù)荷削減節(jié)點(diǎn)相應(yīng)負(fù)荷的重要性系數(shù)，可根據(jù)負(fù)荷等級(jí)確定。

調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)R計(jì)算公式為：

其中，I（Ch）、I（N）和 I（Fj）分別為第 h 個(gè)操作失敗狀態(tài)、操作成功狀態(tài)和第j個(gè)操作成功發(fā)展?fàn)顟B(tài)的風(fēng)險(xiǎn)后果，分別對(duì)應(yīng)上述3種風(fēng)險(xiǎn)后果。

3 調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架

調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估框架如圖4所示，主要包括1個(gè)內(nèi)部存儲(chǔ)器和2個(gè)計(jì)算功能模塊。

圖4 操作風(fēng)險(xiǎn)分析框架Fig.4 Frame of operational risk analysis

內(nèi)部存儲(chǔ)器主要存儲(chǔ)：系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，包括線路、主變參數(shù)以及節(jié)點(diǎn)注入功率等；各種操作的操作風(fēng)險(xiǎn)來源和操作風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)發(fā)生概率數(shù)據(jù)。

風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景確定模塊：此模塊依據(jù)操作人員的調(diào)度操作指令確定風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)景，從實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫中讀取網(wǎng)絡(luò)基本數(shù)據(jù)和操作風(fēng)險(xiǎn)來源數(shù)據(jù)，形成關(guān)于本操作的風(fēng)險(xiǎn)來源狀態(tài)集。調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)分析模塊：此模塊根據(jù)所形成的風(fēng)險(xiǎn)分析場(chǎng)景，通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞治龊统绷饔?jì)算得到風(fēng)險(xiǎn)后果，結(jié)合從數(shù)據(jù)庫中讀取的操作概率數(shù)據(jù)，計(jì)算調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，并反饋給操作人員以供參考。

4 算例分析

利用IEEE-RTS測(cè)試系統(tǒng)驗(yàn)證本文所提方法，系統(tǒng)單線圖如圖 5 所示[21]。

通過對(duì)廣東電網(wǎng)歷史數(shù)據(jù)的分析，可設(shè)調(diào)度操作成功概率為0.98，則操作失敗概率為0.02。開關(guān)與刀閘自身故障導(dǎo)致操作失敗概率如表1所示。

以綜合調(diào)度令為例，假設(shè)由于某些原因線路15-24需由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用，利用第2節(jié)所提的調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)方法對(duì)該操作進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算，得到風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)RU=27.56，RO=14.36，RL=1.23，可見電壓越限風(fēng)險(xiǎn)較大，因此需提醒調(diào)度員在執(zhí)行操作時(shí)應(yīng)提前制定電壓預(yù)控措施。

圖5 IEEE-RTS系統(tǒng)單線圖Fig.5 Single line diagram of IEEE-RTS system

表1 開關(guān)刀閘操作故障概率Tab.1 Fault probability of isolators and switches

4.1 操作過程中每一步風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)綜合令可分解成為單項(xiàng)令，如表2所示。各步操作風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由于第3步和第5步斷開線路側(cè)刀閘屬于不帶電操作，不存在操作風(fēng)險(xiǎn)，操作風(fēng)險(xiǎn)主要集中于開關(guān)與母線側(cè)刀閘操作。對(duì)于電壓越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)RU和支路過載風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)RO，第1步與第4步風(fēng)險(xiǎn)水平略大于第2步與第6步。第1步發(fā)生開關(guān)爆炸與第4步發(fā)生刀閘瓷瓶斷裂都會(huì)導(dǎo)致母線15失壓，而第2步開關(guān)爆炸與第6步刀閘瓷瓶斷裂會(huì)導(dǎo)致母線24失壓。母線失壓會(huì)自動(dòng)切除與其相連所有設(shè)備，從圖5可知母線15失壓切除設(shè)備多于母線24，對(duì)潮流影響會(huì)更大，因此第1、4步風(fēng)險(xiǎn)水平略高。對(duì)于負(fù)荷削減風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)RL，第1、4步存在負(fù)荷削減風(fēng)險(xiǎn)，而第2、6步不存在負(fù)荷削減風(fēng)險(xiǎn)。由圖5可知母線15連有負(fù)荷而母線24沒有負(fù)荷，因此第1、4步導(dǎo)致母線15失壓會(huì)造成負(fù)荷削減。因此整個(gè)調(diào)度操作過程中，更需要注意第1、4步的風(fēng)險(xiǎn)防范，有助于系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

表2 綜合令操作具體步驟（單項(xiàng)令）Tab.2 Operational steps of comprehensive order（single orders）

表3 操作中各步操作風(fēng)險(xiǎn)Tab.3 Risk of each operational step

4.2 操作風(fēng)險(xiǎn)來源分析

根據(jù)第1節(jié)分析可知，調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)來源主要由操作失敗、操作成功執(zhí)行和操作成功后發(fā)展?fàn)顟B(tài)3個(gè)部分組成。針對(duì)線路15-24由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用操作，表4為3種不同風(fēng)險(xiǎn)來源在總風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)中所占數(shù)值。

表4 操作風(fēng)險(xiǎn)來源分析Tab.4 Analysis of operational risk source

從表中可以看出，電壓和潮流越限風(fēng)險(xiǎn)主要來源于操作正常狀態(tài)，即正常操作后系統(tǒng)自身存在較高風(fēng)險(xiǎn)，而負(fù)荷削減只來源于操作失敗。事實(shí)上，操作失敗和操作成功后發(fā)展?fàn)顟B(tài)對(duì)系統(tǒng)造成的電壓越限與支路過載后果大于操作成功情況，但是其發(fā)生概率相對(duì)較小，因此在總指標(biāo)中所占比例較少。對(duì)于負(fù)荷削減風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，只有在操作失敗極端情況下造成母線失壓，才會(huì)導(dǎo)致負(fù)荷削減，因此負(fù)荷削減只來源于操作失敗。

4.3 不同調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)分析

假設(shè)線路12-23、線路15-24以及主變11-9都執(zhí)行由運(yùn)行轉(zhuǎn)冷備用操作，3個(gè)操作風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)如表5所示。

表5 3種操作風(fēng)險(xiǎn)比較Tab.5 Comparison of three operational risks

從表5中可以看出，對(duì)于電壓和潮流越限風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，對(duì)線路15-24的操作要大于對(duì)線路12-23和主變11-9的操作。對(duì)于負(fù)荷削減風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，對(duì)主變11-9的操作風(fēng)險(xiǎn)最大。由于每種調(diào)度操作的風(fēng)險(xiǎn)水平不同，調(diào)度決策部門可以安排工作經(jīng)驗(yàn)相對(duì)豐富的操作人員進(jìn)行高風(fēng)險(xiǎn)操作，有助于合理人員配置，同時(shí)也提高了調(diào)度操作的效率。

5 結(jié)語

本文將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法引入到調(diào)度操作中，提出了一種基于故障樹理論的調(diào)度操作風(fēng)險(xiǎn)分析模型。該模型同時(shí)考慮到調(diào)度操作成功與失敗2種情況對(duì)電網(wǎng)所造成的影響，能夠在調(diào)度操作執(zhí)行之前對(duì)操作風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行量化分析?？紤]多維不確定因素影響下電網(wǎng)調(diào)度操作所面臨的風(fēng)險(xiǎn)，指導(dǎo)調(diào)度操作人員提前制定相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)控措施，同時(shí)有助于調(diào)度決策部門合理進(jìn)行人員配置。本文所采用的概率數(shù)據(jù)是基于歷史數(shù)據(jù)得到，因此實(shí)時(shí)修訂的概率數(shù)據(jù)模型將是今后工作的重點(diǎn)。